JP2021124539A - 画像観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光を利用した接眼光学系におけるゴーストを低減する。【解決手段】画像観察装置１０１は、画像を表示する表示素子１０８と、表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系ＯＲ１とを有する。接眼光学系は、表示素子から射出瞳に向かって順に配置された、第１のλ／４板１１１と、半透過反射面１１２と、レンズ１０４と、第２のλ／４板１１３と、第１の直線偏光を反射し、該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する偏光分離素子１１４とを含む。半透過反射面において透過率が反射率より小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子に表示された画像を接眼光学系を介して観察可能な画像観察装置に関する。

上記のような画像観察装置としては、観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）がある。このようなＨＭＤにおいて広画角での画像提示を実現するために、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が用いられることがある。ただし、このような接眼光学系の軽量化のためにプラスチックレンズが使用されると、プラスチックレンズ内の複屈折によって光の偏光状態が乱れ、この結果、ゴーストが発生する。

特許文献１および特許文献２には、偏光を利用して広画角化された接眼光学系を有するＨＭＤが開示されている。特許文献１のＨＭＤでは、接眼光学系内の半透過型偏光板の透過軸の方向を観察者の両眼が並ぶ方向に一致させて輝度むらを低減している。また特許文献２のＨＭＤでは、曲面形状の偏光素子を利用して広画角を実現している。

特開２０１９−０５３１５２号公報 特表２０１８−５０８８００号公報

しかしながら、特許文献１には、接眼光学系のプラスチックレンズ内の複屈折によるゴーストの低減に関して、複屈折が小さいプラスチック材料を用いるとの記載しかない。また特許文献２には、接眼光学系のビネッティングにより周辺光量が低下することについては記載があるが、レンズの複屈折により発生するゴーストの低減に関する記載はない。

本発明は、偏光を利用した接眼光学系におけるゴーストを低減することができるようにした画像観察装置を提供する。

本発明の一側面としての画像観察装置は、画像を表示する表示素子と、表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有する。接眼光学系は、表示素子から射出瞳に向かって順に配置された、第１のλ／４板と、半透過反射面と、レンズと、第２のλ／４板と、第１の直線偏光を反射し、該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する偏光分離素子とを含む。半透過反射面において、透過率が反射率より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、偏光を利用した接眼光学系におけるゴーストを低減することができる。

本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す図。 実施例２における接眼光学系の構成を示す図。 実施例１のＨＭＤの外観図。 実施例１における接眼光学系の光路を示す図。 実施例１における接眼光学系のゴースト光を説明する図。 実施例１における接眼光学系の接眼光学系のハーフミラーの反射率と明るさと関係を示す図。 本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す図。 実施例２における接眼光学系の構成を示す図。 実施例２における接眼光学系のゴースト光を説明する図。 本発明の実施例３であるＨＭＤの構成を示す図。 実施例２における接眼光学系の構成を示す図。 実施例２における接眼光学系のゴースト光を説明する図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である画像観察装置としてのＨＭＤ１０１の構成を示している。ＨＭＤ１０１は、観察者の頭部に装着される。１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。表示レンズ１０４，１０５は右眼用接眼光学系ＯＲ１を構成し、表示レンズ１０６，１０７は左眼用接眼光学系ＯＬ１を構成する。各接眼光学系は、複数（２つ）の表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１には観察者の右眼１０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ１の射出瞳ＥＬ１には観察者の左眼１０３が配置される。

１０８は右眼用表示素子、１０９は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。図３は、ＨＭＤ１０１とこれに接続されたパーソナルコンピュータ１５０の外観を示している。各表示素子は、パーソナルコンピュータ１５０から出力された画像信号に対応する表示画像（原画像）を表示する。

接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１はそれぞれ、表示素子１０８，１０９からの光を射出瞳ＥＲ１，ＥＬ１に導くことで、表示画像の拡大虚像を観察者の右眼１０２と左眼１０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子１０８，１０９上の表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１を通して観察することができる。

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離は１２ｍｍ、水平表示画角は４５°、垂直表示画角は３４°、対角表示画角は５４°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述する偏光分離素子１１４の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ１は、１８ｍｍである。

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ１，ＯＬ１は偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ１を用いて説明する。図２に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ１は、右眼用表示素子１０８から射出瞳ＥＲ１に向かって順に配置された偏光板１１０、第１のλ／４板１１１、表示レンズ１０５、表示レンズ１０４、第２のλ／４板１１３および偏光分離素子（以下、ＰＢＳという）１１４を有する。表示レンズ１０４における表示素子側の面には、半透過反射面としてのハーフミラー１１２が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板１１３とＰＢＳ１１４は、表示レンズ１０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

偏光板１１０、第１のλ／４板１１１、第２のλ／４板１１３およびＰＢＳ１１４はいずれも平板状に形成されている。偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板１１１の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板１１３の遅相軸とは−４５°（すなわち第１の直線偏光の偏光方向に対して第１のλ／４板１１１の遅相軸とは反対側に同角度だけ）傾いている。また偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ１１４を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

右眼用表示素子１０８から出射した無偏光光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板１１１を透過して円偏光となって表示レンズ１０５を透過する。さらに円偏光は、ハーフミラー１１２を透過した後、表示レンズ１０４を透過し、第２のλ／４板１１３を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ１１４を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ１１４で反射して第２のλ／４板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ１０４を透過した後、ハーフミラー１１２で反射し、再度、表示レンズ１０４を透過し、第２のλ／４板１１３を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ１１４を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ１１４を透過して射出瞳ＥＲ１（右眼１０２）に導かれる。左眼用表示素子１０９から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ１により射出瞳ＥＬ１（左眼１０３）に導かれる。

このように各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を光軸方向において薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

ＨＭＤは、観察者が頭部に装着するために軽量であることが望ましい。このため、接眼光学系を構成する表示レンズや撮像光学系を構成する撮像レンズは硝子よりも比重が小さい樹脂により製作することが望ましい。このため、本実施例でも、表示レンズ１０４〜１０７は樹脂レンズとしている。また最も射出瞳側の表示レンズ１０４，１０６を表示素子側に向かって凸面を有する平凸レンズとして、該凸面にハーフミラー１１２を設けることで、接眼光学系を薄型化しつつ広画角化を実現している。さらに表示レンズ１０４，１０６の凸面を非球面形状とすることで、収差補正効果を高めている。また、表示レンズ１０５，１０７を樹脂製の両面非球面レンズとして、収差補正効果を高めている。

ただし、表示レンズ１０５，１０７は外径が小さく、重量への影響が小さいため、ガラスレンズとしてもよい。またＨＭＤ１０１の全体の重量が許容範囲であれば、表示レンズ１０４，１０６もガラスレンズとしてもよい。

本実施例のＨＭＤ１０１では、眼鏡を掛けている観察者でも装着できるように、アイレリーフは１５ｍｍ以上であることが望ましい。一方、アイレリーフが長すぎると、表示レンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、アイレリーフＥ１は、
１５ｍｍ≦Ｅ１≦２５ｍｍ （１）
なる条件を満足するとよい。

また本実施例のＨＭＤ１０１では、図４に示すように、右眼１０２の眼球（瞳）が右眼用表示素子１０８の表示面の左右の端部を向いている（見ている）状態での右眼用接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１′の位置、すなわちアイレリーフＥ１′を、図１に示すように眼球が表示面の中心部を向いている状態でのアイレリーフＥ１＝１８ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２８ｍｍに設定し、射出瞳径を６ｍｍに設定している。左眼用接眼光学系ＯＬ１の射出瞳についても同様である。このように設定することで、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

次に、本実施例の接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１における不要光としてのゴースト光の発生について、図５を用いて説明する。ここでも、右眼用接眼光学系ＯＲ１を用いて説明するが、左眼用接眼光学系ＯＬ１についても同様である。

本実施例のように偏光を利用した接眼光学系ＯＲ１では、表示レンズ１０４，１０５内での複屈折や偏光板１１０、λ／４板１１１，１１３およびＰＢＳ１１４の偏光特性により、表示素子１０８から出射した光が、図１や図４に示す正規の光路を辿らず、図５に示すようにＰＢＳ１１４で反射することなくそのまま観察者の右眼１０２に導かれることがある。この光がゴースト光となる。このゴースト光は、第１のλ／４板１１１を透過した円偏光の光が表示レンズ１０５，１０４内の複屈折によって楕円偏光になり、第２のλ／４板１１３を透過した後の直線偏光の偏光方向が本来の方向に対して傾き、ＰＢＳ１１４を透過して右眼１０２に導かれることで発生する。また、表示レンズ１０４，１０５内の複屈折がなくても、偏光板１１０、λ／４板１１１，１１３およびＰＢＳ１１４の偏光特性が良好でないとゴースト光が発生する。

本実施例では、このようなゴースト光を低減するために、ハーフミラー１１２の透過率Ｔ１を反射率Ｒ１よりも低くしている。具体的には、反射率Ｒ１を７０％とし、透過率Ｔ１を３０％としている。図５から分かるように、ゴースト光はハーフミラー１１２を透過するだけで反射しない。このため、ハーフミラー１１２の透過率Ｔ１を反射率Ｒ１よりも低くすることで、ゴースト光の強度を下げることができる。

図６は、ハーフミラー１１２の反射率と正規の光路を辿った光（正規光）およびゴースト光の明るさとの関係を示している。ハーフミラー１１２の反射率Ｒ１を上げると、正規光の明るさ（実線）とゴースト光の明るさ（破線）は共に減少するが、正規光の明るさに比べてゴースト光の明るさの低下が大きいため、ゴースト光と正規光の明るさの比率（一点鎖線）は減少する。反射率と透過率が共に５０％の一般的なハーフミラーを用いる場合と比べると、本実施例では正規光に対するゴースト光の比率を約３０％低減することができる。

本実施例において、ハーフミラー１１２の透過率Ｔ１は、
１５％≦Ｔ１≦４５％ （２）
なる条件を満足し、反射率Ｒ１は、
５５％≦Ｒ１≦８５％ （３）
なる条件を満足することが望ましい。透過率Ｔ１が４５％を超える（反射率Ｒ１が５５％未満である）と、ゴースト光の強度を十分に下げることができない。一方、透過率Ｔ１が１５％未満である（反射率Ｒ１が８５％を超える）と、正規光の明るさが暗くなりすぎて、正規光による自然な画像の観察ができなくなる。
さらにハーフミラー１１２の透過率Ｔ１が、
１５％≦Ｔ１≦３５％ （２ａ）
なる条件を満足し、反射率Ｒ１が、
６５％≦Ｒ１≦８５％ （３ａ）
なる条件を満足することがより望ましい。

本実施例にいうハーフミラー１１２の透過率Ｔ１と反射率Ｒ１は、可視光領域の波長に対する数値であり、波長ごとに透過率と反射率が異なる場合にはそれらの平均値としてもよいし、緑波長のような比視感度の高い代表的な波長に対する透過率と反射率としてもよい。またハーフミラー１１２への光の入射角によってハーフミラー１１２の透過率Ｔ１と反射率Ｒ１が異なる場合には、入射角が０度のときの透過率と反射率としてもよいし、ゴースト光の入射角に対する透過率と反射率としてもよい。

本実施例において、ハーフミラー１１２は銀層を含んでいる。これにより、偏光状態による透過率や反射率の変動を小さくすることができる。本実施例の接眼光学系のように偏光を利用した光学系では、偏光状態によって透過率や反射率が変動すると、大きな光量損失が生じるおそれがある。このため、ハーフミラー１１２は、偏光状態による透過率や反射率の変動が小さい金属層、特に吸収による損失が小さい銀層を含むことが望ましい。

さらに本実施例では、ハーフミラー１１２の透過率が反射率よりも低い特性を有するため、銀層の厚さ（膜厚）が通常よりも厚くなる。銀層は、その厚さが厚くなることで安定的に成膜することができ、耐久性も向上する。

またハーフミラー１１２に、銀層と樹脂レンズとの密着性を高めるために銀層における表示レンズ１０４側に誘電体多層膜を設けてもよいし、銀層の耐久性を高めるために表示レンズ１０４とは反対側に誘電体多層膜を設けてもよい。

レンズ内の複屈折は、一般に、該レンズの中心部から周辺部にかけて大きくなる。このため、表示レンズ１０４，１０５の複屈折によるゴースト光の強度も、中心部から周辺部にかけて大きくなる。このため、表示レンズ１０４，１０５を通過するゴースト光をより効果的に低減するために、ハーフミラー１１２における中心（光軸）付近の透過率よりも周辺側の透過率を下げるようにしてもよい。

具体的には、図５に示したように表示素子１０８から出射したゴースト光は、ハーフミラー１１２の光学有効領域のうち中心から２．５割までの範囲内を透過する。このため、ハーフミラー１１２の中心付近の透過率を４０％（反射率を６０％）とし、それよりも周辺側であって光学有効領域の２．５割までの範囲の透過率を３０％（反射率７０％）としてもよい。このとき、中心付近から光学有効領域の２．５割の付近まで徐々に透過率が下がるようにしてもよい。また、光学有効領域の２．５割よりも外側の範囲はゴースト光が透過しないため、正規光の明るさを向上させるために、透過率を４０％より上げてもよい。

図１から分かるように、正規光がハーフミラー１１２を透過するのは光学有効領域の８割までの範囲であり、それよりも外側の範囲では正規光は反射するだけである。このため、観察される画像の周辺部の明るさを改善するために、ハーフミラー１１２における光学有効領域の８割より外側の範囲の反射率を、８割までの範囲の反射率より高くしてもよい。具体的には、ハーフミラー１１２における中心から光学有効領域の８割までの範囲の反射率を７０％（透過率を３０％）とし、８割より外側の範囲の反射率を８５％（透過率１５％）としてもよい。このとき、光学有効領域の８割より外側の範囲で急激に反射率が高くなると、反射率の差によって不自然な画像が観察されるため、８割より外側の範囲では徐々に反射率が高くなるようにすることが好ましい。

さらに入射角が大きくなるにつれてハーフミラー１１２の透過率を大きくしてもよい。図５から分かるように、表示素子１０８から出射したゴースト光のハーフミラー１１２への入射角は５度以下である。一方、図１と図４から分かるように正規光のハーフミラー１１２への入射角は０〜６０度である。このため、本実施例では入射角０度でのハーフミラー１１２の透過率を３０％とし、入射角６０度での透過率を４５％とすることで、ゴースト光を低減しつつ周辺部の正規光の明るさを向上させることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、偏光を利用した接眼光学系を用いたＨＭＤ１０１におけるゴーストを低減することができ、より自然な画像観察を行うことができる。

レンズ内の複屈折は、該レンズを樹脂材料を用いて金型成形により製造した際に発生し易く、該レンズの偏肉比が大きいほど金型成形後の冷却時にレンズの薄い部分と厚い部分との冷え方の差が大きくなることで複屈折が大きくなる。

本実施例のように広画角で薄型の接眼光学系ＯＲ１では、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー１１２）を有する表示レンズ１０４の偏肉比が大きくなる。表示レンズ１０４の光学有効領域における偏肉比は２．０である。偏肉比は、１．５以上、４．０以下であることが望ましい。偏肉比が１．５未満である場合には、表示レンズ１０４の光学パワーを小さくして該表示レンズ１０４の曲率半径が大きくなるか厚みが大きくなる。表示レンズ１０４の光学パワーを小さくすると広画角化を実現できなくなったり、光学パワーが大きいレンズを追加する必要が生じて接眼光学系ＯＲ１の薄型化が不可能となったりする。また表示レンズ１０４の厚みが大きくなると、接眼光学系ＯＲ１の薄型化を実現できない。一方、偏肉比が４．０より大きい場合には、表示レンズ１０４の複屈折が大きくなり過ぎて、ゴースト光の強度が増す。

接眼光学系ＯＲ１の厚さＬ１を、ＰＢＳ１１４における射出瞳側の面から表示素子１０８までの距離とすると、厚さＬ１は１３ｍｍであり、厚さＬ１とアイレリーフＥ１＝１８ｍｍとの比Ｌ１／Ｅ１は０．７２である。この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の薄型化とを両立するために、
０．６０≦Ｌ１／Ｅ１≦１．００ （４）
なる条件を満足することが望ましい。Ｌ１／Ｅ１が０．６０より小さいと、アイレリーフが長くなりすぎて表示レンズの外径が大きくなり、ＨＭＤ１０１も大型化するので、好ましくない。しかも、外径が大きいほど表示レンズ１０４の複屈折が大きくなるため、ゴースト光の強度が増す。一方、Ｌ１／Ｅ１が１．００より大きいと、接眼光学系が厚くなってＨＭＤ１０１が大型化するとともに、アイレリーフが短すぎて観察者に圧迫感を与えたり眼鏡を掛けている観察者が装着できなくなったりするため、好ましくない。

また本実施例において、接眼光学系ＯＲ１の最大対角半画角θ１は２７°である。このとき、Ｅ１×ｔａｎθ１＝９．２ｍｍである。この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の広画角化を両立するために、
８ｍｍ≦Ｅ１×ｔａｎθ１≦２０ｍｍ （５）
なる条件を満足することが望ましい。Ｅ１×ｔａｎθ１が８ｍｍより小さいと、アイレリーフが短すぎて観察者に圧迫感を与えたり眼鏡を掛けている観察者が装着できなくなったりするため、好ましくない。また接眼光学系の表示画角が狭すぎて、臨場感のある自然な画像の観察ができない。一方、Ｅ１×ｔａｎθ１が２０ｍｍより大きいと、アイレリーフが長くなりすぎて表示レンズ１０４の外径が大きくなり、ＨＭＤ１０１も大型化するので、好ましくない。しかも、外径が大きいほど表示レンズ１０４の複屈折が大きくなるため、ゴースト光の強度が増す。

また、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ１１４と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

さらに本実施例では、図２に示すように、第２のλ／４板１１３とＰＢＳ１１４が積層されるように形成された表示レンズ１０４の射出瞳側の面を平面としている。これはアイレリーフを長くすることと、接眼光学系を薄型化することを両立するためである。この面が射出瞳に向かって凹形状を有すると、その周辺部でのアイレリーフを確保するために表示レンズ１０４が厚くなる。また、この面が射出瞳に向かって凸形状を有すると、表示レンズ１０４のレンズコバ部の厚さを確保するためにレンズが厚くなる。

本実施例で説明した式（１）〜（５）で示した条件については、後述する実施例２および実施例３において同様である。また、本実施例で説明した好ましいレンズの材料や形状、偏肉比等についても、実施例２および実施例３において同様である。なお、表示素子として、直線偏光を出射する液晶ディスプレイパネルを用いてもよい。この場合、偏光板１１０が不要となり、接眼光学系およびＨＮＤのさらなる薄型化が可能となる。これについても、実施例２において同様である。

図７は、本発明の実施例２であるＨＭＤ２０１の構成を示している。２０２は観察者の右眼、２０３は観察者の左眼である。表示レンズ２０４，２０５は右眼用接眼光学系ＯＲ２を構成し、表示レンズ２０６，２０７は左眼用接眼光学系ＯＬ２を構成する。各接眼光学系は、２つの表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ２の射出瞳ＥＲ２には観察者の右眼２０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ２の射出瞳ＥＬ２には観察者の左眼２０３が配置される。

２０８は右眼用表示素子、２０９は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。各表示素子は、不図示のパーソナルコンピュータから出力された画像信号に対応する表示画像（原画像）を表示する。

接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２はそれぞれ、表示素子２０８，２０９からの光を射出瞳ＥＲ２，ＥＬ２に導くことで、表示素子２０８，２０９に表示された表示画像の拡大虚像を観察者の右眼２０２と左眼２０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子２０８，２０９に表示された表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２を通して観察することができる。

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離は１３ｍｍ、水平表示画角は６０°、垂直表示画角は６０°、対角表示画角は７８°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述する偏光分離素子２１４の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ２は、２０ｍｍである。

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ２，ＯＬ２も、実施例１と同様に、偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ２を用いて説明する。図８に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ２は、右眼用表示素子２０８から射出瞳ＥＲ２に向かって順に配置された偏光板２１０、第１のλ／４板２１１、表示レンズ２０５、表示レンズ２０４、第２のλ／４板２１３およびＰＢＳ２１４を有する。表示レンズ２０４における表示素子側の凸面には、半透過反射面としてのハーフミラー２１２が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板２１３とＰＢＳ２１４は、表示レンズ２０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

偏光板２１０、第１のλ／４板２１１、第２のλ／４板２１３およびＰＢＳ２１４はいずれも平板状に形成されている。偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板２１１の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板２１３の遅相軸とは−４５°傾いている。また偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ２１４を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

右眼用表示素子２０８から出射した無偏光光は、偏光板２１０を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板２１１を透過して円偏光となって表示レンズ２０５を透過する。さらに円偏光は、ハーフミラー２１２を透過した後、表示レンズ２０４を透過し、第２のλ／４板２１３を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ２１４を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ２１４で反射して第２のλ／４板２１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ２０４を透過した後、ハーフミラー２１２で反射し、再度、表示レンズ２０４を透過し、第２のλ／４板２１３を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ２１４を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ２１４を透過して射出瞳ＥＲ２（右眼２０２）に導かれる。左眼用表示素子２０９から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ２により射出瞳ＥＬ２（左眼２０３）に導かれる。

本実施例でも、実施例１と同様に、各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

また本実施例でも、各接眼光学系において、２つの表示レンズを接合して、その光軸方向の厚さを１３．５ｍｍと薄型化している。また２つの表示レンズを接合レンズとすることで、ＨＭＤ２０１の本体によって表示レンズを保持しやすくなる。

さらに本実施例でも、表示レンズ２０４〜２０７は樹脂レンズであり、かつ表示レンズ２０４〜２０７を非球面レンズとして収差補正効果を高めている。

また表示レンズ２０４，２０５を接合レンズとしているため、ハーフミラー２１２を表示レンズ２０５のうち射出瞳側の面に設けてもよい。この場合でも、ハーフミラー２１２が設けられた面は表示素子２０８に向かって凸面である。

また本実施例のＨＭＤ２０１では、右眼２０２の眼球（瞳）が表示素子２０８の表示面の左右の端部を向いている（見ている）状態での右眼用接眼光学系ＯＲ２の射出瞳の位置、すなわちアイレリーフを、図７に示すように眼球が表示面の中心部を向いている状態でのアイレリーフＥ２＝２０ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた３０ｍｍに設定し、射出瞳径を６ｍｍに設定している。左眼用接眼光学系ＯＬ２の射出瞳についても同様である。このように設定することで、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

図９に示すように、本実施例の接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２においても、実施例１と同様の理由によってゴースト光が発生する。そして本実施例でも、ゴースト光を低減するために、ハーフミラー２１２の透過率Ｔ２を反射率Ｒ２よりも低くしている。具体的には、反射率Ｒ２を７５％とし、透過率Ｔ２を２５％としている。図９から分かるように、ゴースト光はハーフミラー２１２を透過するだけで反射しない。このため、ハーフミラー２１２の透過率Ｔ２を反射率Ｒ２より低くすることで、ゴースト光の強度を下げることができる。図６に示したように、反射率と透過率が共に５０％の一般的なハーフミラーを用いる場合と比べると、本実施例では正規光に対するゴースト光の比率を約３５％低減することができる。

本実施例のハーフミラー２１２の透過率Ｔ２および反射率Ｒ２と波長や入射角との関係は、実施例１と同じある。また本実施例のハーフミラー２１２が銀層を含むことや誘電体多層膜を設けることが望ましいことも実施例１と同じである。

また本実施例でも、実施例１同様に、表示レンズ２０４，２０５を通過するゴースト光をより効果的に低減するために、ハーフミラー２１２における中心（光軸）付近の透過率よりも周辺側の透過率を下げるようにしてもよい。

具体的には、図９に示したように表示素子２０８から出射したゴースト光は、ハーフミラー２１２の光学有効領域のうち中心から４割までの範囲内を透過する。このため、ハーフミラー２１２の中心付近の透過率を４０％（反射率を６０％）とし、それよりも周辺側であって光学有効領域の４割までの範囲の透過率を２５％（反射率７５％）としてもよい。このとき、中心付近から光学有効領域の４割の付近まで徐々に透過率が下がるようにしてもよい。また、光学有効領域の４割よりも外側の範囲はゴースト光が透過しないため、正規光の明るさを向上させるために、透過率を４０％より上げてもよい。

図７から分かるように、正規光がハーフミラー２１２を透過するのは光学有効領域の８．５割までの範囲であり、それよりも外側の範囲では正規光は反射するだけである。このため、観察される画像の周辺部の明るさを改善するために、ハーフミラー２１２における光学有効領域の８．５割より外側の範囲の反射率を、８．５割までの範囲の反射率より高くしてもよい。具体的には、ハーフミラー２１２における中心から光学有効領域の８．５割までの範囲の反射率を７５％（透過率を２５％）とし、８．５割より外側の範囲の反射率を８５％（透過率１５％）としてもよい。このとき、実施例１と同じ理由から、８．５割より外側の範囲では徐々に反射率が高くなるようにすることが好ましい。

以上説明した本実施例でも、偏光を利用した接眼光学系を用いたＨＭＤ２０１におけるゴーストを低減することができ、より自然な画像観察を行うことができる。

また本実施例でも、右眼用接眼光学系ＯＲ２は広画角で薄型であるため、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー２１２）を有する表示レンズ２０４の偏肉比が大きくなる。表示レンズ２０４，２０５を接合しているため、表示レンズ２０５における表示レンズ２０４との接合面の曲率半径が短く、表示レンズ２０５の偏肉比も大きくなる。本実施例では、表示レンズ２０４の光学有効領域における偏肉比は３．６であり、表示レンズ２０５の光学有効領域における偏肉比は２．８である。

また右眼用接眼光学系ＯＲ２の厚さＬ２をＰＢＳ２１４の射出瞳側の面から右眼用表示素子２０８までの距離とすると、厚さＬ２は１３．５ｍｍであり、厚さＬ２とアイレリーフＥ２の比、Ｌ２／Ｅ２は０．６８である。

本実施例において、右眼用接眼光学系ＯＲ２のアイレリーフＥ２は２０ｍｍであり、最大対角半画角θ２は３９°である。このとき、Ｅ２×ｔａｎθ２＝１６．２ｍｍであり、式（５）の条件を満足している。上記偏肉比、Ｌ２／Ｅ２およびＥ２×ｔａｎθ２については左眼用接眼光学系ＯＬ２についても同じである。

また、本実施例でも、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ２１４と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

図１０は、本発明の実施例３であるＨＭＤ３０１の構成を示している。３０２は観察者の右眼、３０３は観察者の左眼である。表示レンズ３０４，３０５，３０６は右眼用接眼光学系ＯＲ３を構成し、表示レンズ３０７，３０８，３０９は左眼用接眼光学系ＯＬ３を構成する。各接眼光学系は、３つの表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ３の射出瞳ＥＲ３には観察者の右眼３０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ３の射出瞳ＥＬ３には観察者の左眼３０３が配置される。

３１０は右眼用表示素子、３１１は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。各表示素子は、不図示のパーソナルコンピュータから出力された画像信号に対応する表示画像（原画像）を表示する。

接眼光学系ＯＲ３，ＯＬ３はそれぞれ、表示素子３１０，３１１からの光を射出瞳ＥＲ３，ＥＬ３に導くことで、表示素子３１０，３１１に表示された表示画像の拡大虚像を観察者の右眼３０２と左眼３０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子３１０，３１１に表示された表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ３，ＯＬ３を通して観察することができる。

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離Ｆ３は１０．７ｍｍ、水平表示画角は５０°、垂直表示画角は３８°、対角表示画角は６０°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述するＰＢＳ３１５の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ３は、１５ｍｍである。

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ３，ＯＬ３も、実施例１と同様に、偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ３を用いて説明する。図１１に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ３は、右眼用表示素子３１０から射出瞳ＥＲ３に向かって順に配置された表示レンズ３０６、偏光板３１２、第１のλ／４板３１３、表示レンズ３０５、表示レンズ３０４、第２のλ／４板３１５およびＰＢＳ３１６を有する。偏光板３１２は、表示レンズ３０６における表示素子側の面に固定されている。表示レンズ３０５における射出瞳側の凹面（表示素子に向かって凸面）には、半透過反射面としてのハーフミラー３１４が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板３１５とＰＢＳ３１６は、表示レンズ３０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

偏光板３１２、第１のλ／４板３１３、第２のλ／４板３１５およびＰＢＳ３１６はいずれも平板状に形成されている。偏光板３１２を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板３１３の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板３１２を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板３１５の遅相軸とは−４５°傾いている。また偏光板３１２を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ３１６を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

右眼用表示素子３１０から出射した無偏光光は、表示レンズ３０６を透過した後、偏光板３１２を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板３１３を透過して円偏光となって表示レンズ３０５およびハーフミラー３１４を透過する。さらに円偏光は、表示レンズ３０４を透過し、第２のλ／４板３１５を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ３１６を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ３１６で反射して第２のλ／４板３１５を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ３０４，３０５を透過した後、ハーフミラー３１４で反射し、再度、表示レンズ３０５，３０４を透過し、第２のλ／４板３１５を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ３１６を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ３１６を透過して射出瞳ＥＲ３（右眼３０２）に導かれる。左眼用表示素子３１１から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ３により射出瞳ＥＬ３（左眼３０３）に導かれる。

本実施例でも、実施例１と同様に、各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

また本実施例では、各接眼光学系を３つの表示レンズにより構成して、その光軸方向の厚さを１８ｍｍと薄型化している。

さらに本実施例でも、表示レンズ３０４〜３０９は樹脂レンズであり、かつ表示レンズ３０４〜３０９を非球面レンズとして収差補正効果を高めている。

本実施例では、接眼光学系の射出瞳を、アイレリーフ１５ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２５ｍｍの位置とし、射出瞳径は４ｍｍとしている。これにより、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

図１２に示すように、本実施例の接眼光学系ＯＲ３，ＯＬ３においても、実施例１と同様の理由によってゴースト光が発生する。そして本実施例でも、ゴースト光を低減するために、ハーフミラー３１４の透過率Ｔ３を反射率Ｒ３よりも低くしている。具体的には、反射率Ｒ３を６５％とし、透過率Ｔ３を３５％としている。図１２から分かるように、ゴースト光はハーフミラー３１４を透過するだけで反射しない。このため、ハーフミラー３１４の透過率Ｔ３を反射率Ｒ３より低くすることで、ゴースト光の強度を下げることができる。図６に示したように、反射率と透過率が共に５０％の一般的なハーフミラーを用いる場合と比べると、本実施例では正規光に対するゴースト光の比率を約２０％低減することができる。

本実施例のハーフミラー３１４の透過率Ｔ３および反射率Ｒ３と波長や入射角との関係は、実施例１と同じある。また本実施例のハーフミラー３１４が銀層を含むことや誘電体多層膜を設けることが望ましいことも実施例１と同じである。

また本実施例でも、実施例１同様に、表示レンズ３０４〜３０６を通過するゴースト光をより効果的に低減するために、ハーフミラー３１４における中心（光軸）付近の透過率よりも周辺側の透過率を下げるようにしてもよい。

具体的には、図１２に示したように表示素子３１０から出射したゴースト光は、ハーフミラー３１４の光学有効領域のうち中心から５割までの範囲内を透過する。このため、ハーフミラー３１４の中心付近の透過率を３５％（反射率を６５％）とし、それよりも周辺側であって光学有効領域の５割までの範囲の透過率を１５％（反射率８５％）としてもよい。このとき、中心付近から光学有効領域の５割の付近まで徐々に透過率が下がるようにしてもよい。また、光学有効領域の５割よりも外側の範囲はゴースト光が透過しないため、正規光の明るさを向上させるために、透過率を３５％より上げてもよい。

以上説明した本実施例でも、偏光を利用した接眼光学系を用いたＨＭＤ３０１におけるゴーストを低減することができ、より自然な画像観察を行うことができる。

また本実施例でも、右眼用接眼光学系ＯＲ３は広画角で薄型であるため、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー３１４）を有する表示レンズ３０５の偏肉比が大きくなる。本実施例において表示レンズ３０５の光学有効領域における偏肉比は１．６である。

右眼用接眼光学系ＯＲ３の厚さＬ３をＰＢＳ３１６の射出瞳側の面から右眼用画像表示素子３１０までの距離とすると、厚さＬ３は１３．５ｍｍであり、厚さＬ３とアイレリーフＥ３の比、Ｌ３／Ｅ３は０．９である。上記偏肉比、Ｌ３／Ｅ３およびＥ３×ｔａｎθ３については左眼用接眼光学系ＯＬ３についても同じである。

本実施例において、接眼光学系のアイレリーフＥ３は１５ｍｍであり、最大対角半画角θ３は３０°である。このとき、Ｅ３×ｔａｎθ３＝８．７ｍｍであり、式（５）の条件を満足している。

また、本実施例でも、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ３１６と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０１，２０１，３０１ ＨＭＤ
１０８，２０８，３１０ 右眼用表示素子
１０９，２０９，３１１ 左眼用表示素子
１１２，２１２，３１４ ハーフミラー
ＯＲ１，２，３ 右眼用接眼光学系
ＯＬ１，２，３ 左眼用接眼光学系

Claims (16)

1. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有し、
   前記接眼光学系は、前記表示素子から前記射出瞳に向かって順に配置された、
   第１のλ／４板と、
   半透過反射面と、
   レンズと、
   第２のλ／４板と、
   第１の直線偏光を反射し、該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する偏光分離素子とを含み、
   前記半透過反射面において、透過率が反射率より小さいことを特徴とする画像観察装置。
2. 前記半透過反射面の透過率Ｔが、
   １５％≦Ｔ≦４５％
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像観察装置。
3. 前記レンズが樹脂レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の画像観察装置。
4. 前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
   前記レンズのうち前記半透過反射面が設けられた面が、前記表示素子に向かって凸面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像観察装置。
5. 前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
   前記レンズのうち前記半透過反射面が設けられた面が、非球面であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像観察装置。
6. 前記半透過反射面が、銀の層を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像観察装置。
7. 前記半透過反射面の反射率が、該半透過反射面の中心部から周辺部にかけて大きくなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の画像観察装置。
8. 前記接眼光学系に含まれる１または複数のレンズのうち最も射出瞳側のレンズが前記表示素子に向かって凸面を有する平凸レンズであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像観察装置。
9. 前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
   前記レンズの光学有効領域における偏肉比が、１．５以上、４．０以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像観察装置。
10. 前記接眼光学系のアイレリーフＥは、
    １５ｍｍ≦Ｅ≦２５ｍｍ
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像観察装置。
11. 前記接眼光学系の厚さＬと前記接眼光学系のアイレリーフＥとが、
    ０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像観察装置。
12. 前記接眼光学系のアイレリーフＥと前記接眼光学系の最大の対角半画角θとが、
    ８ｍｍ≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０ｍｍ
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像観察装置。
13. 前記第１の直線偏光の偏光方向に対して、前記第１のλ／４板の遅相軸と前記第２のλ／４板の遅相軸とが互いに反対側に傾いていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の画像観察装置。
14. 前記接眼光学系は、前記偏光分離素子と前記射出瞳との間に、前記第２の直線偏光を透過する偏光板を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像観察装置。
15. 前記表示素子から無偏光光が出射し、
    前記接眼光学系は、前記表示素子と前記第１のλ／４板との間に、前記第１の直線偏光を透過する偏光板を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の画像観察装置。
16. 前記半透過反射面の前記透過率が、前記半透過反射面への光の入射角が大きくなるにつれて大きくなることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の画像観察装置。

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